Химия Для студентов I курса специальностей: экология, товароведение и экспертиза товаров, технология, конструирование изделий и материалы легкой промышленности ИИИБС, кафедра ЭПП к.х.н., доцент А. Н. Саверченко

Полимеры

Студент должен: знать Основные определения и классификацию полимеров. Основные определения и классификацию полимеров. Методы получения полимеров. Методы получения полимеров. Основные положения теории строения и свойства полимеров. Основные положения теории строения и свойства полимеров.Уметь Классифицировать, составлять общую формулу и название полимеров на основе строения органических и неорганических миономеров. Классифицировать, составлять общую формулу и название полимеров на основе строения органических и неорганических миономеров. Составлять уравнение реакций получения полимеров. Составлять уравнение реакций получения полимеров. Составлять структурные формулы полимеров и описывать их свойства. Составлять структурные формулы полимеров и описывать их свойства.

4 Полимеры -(от греч "poly" - много, " meres" - часть) – химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев).

5 Например, полиэтилен, получаемый при полимеризации этилена CH2=CH2...-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH или (-CH 2 -CH 2 -)n

6 Низкомолекулярные соединения, из которых образуются полимеры, называются мономерами. Например, пропилен СН2=СH–CH3 является мономером полипропилена: а такие соединения, как α-аминокислоты, служат мономерами при синтезе природных полимеров – белков (полипептидов):

По происхождению Природные, или биополимеры (нуклеиновые кислоты, белки) Синтетические полимеры (полиэтилен, полипропилен)

8 По химическому строению: Структурные звeнья несимметричного строения, например, могут соединяться между собой двумя способами: Полимеры, макромолекулы которых построены одним из этих способов, называют регулярными. Полимеры нерегулярного строения образованы произвольным сочетанием обоих способов соединения звeньев.

9 По пространственному строению макромолекулы: Стереорегулярные Атактические

10 Полимер называется стереорегулярным, если заместители R в основной цепи макромолекул (–CH 2 –CHR–)n расположены упорядоченно: или все они находятся по одну сторону от плоскости цепи или строго очередно по одну и другую стороны от этой плоскости (синдиотактические полимеры)

11 Если боковые заместители в макромолекулах располагаются в беспорядке относительно плоскости основной цепи, то такой полимер является стереонерегулярным или атактическим.

12 По химическому составу макромолекулы: 1.Гомополимеры (полимер образован из одного мономера, например полиэтилен); 1.Сополимеры (полимер образован по меньшей мере из двух разл. мономеров, например бутадиен-стирольный

Особые механические свойства: Эластичность - способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки); Малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло); Способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и пленок).

14 Особенности растворов полимеров: высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера; растворение полимера происходит через стадию набухания. Особые химические свойства: способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т.п.). Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают уникальным для неживой природы свойством - гибкостью.

15 Гибкость макромолекул это их способность обратимо (без разрыва химических связей) изменять свою форму. Особенности полимеров, обусловленные гибкостью макромолекул, проявляются при деформировании полимеров. В отсутствие внешних воздействий равновесным состоянием гибкой макромолекулы является форма рыхлого клубка (максимум энтропии). При деформации полимера макромолекулы распрямляются, а после снятия деформирующей нагрузки, стремясь к равновесному состоянию, они снова сворачиваются за счет поворотов вокруг σ- связей в результате теплового движения. Это является причиной высоких обратимых деформаций (эластичности) полимеров.

16 По степени гибкости полимеры подразделяют на гибкоцепные (с большей свободой внутримолекулярного вращения) и жесткоцепные. Это определяет область применения полимеров. Гибкоцепные полимеры используют как каучуки (резиновые изделия), жесткоцепные – в производстве пластмасс, волокон, пленок. Гибкость макромолекул уменьшается под влиянием внутри- и межмолекулярных взаимодействий, которые препятствуют вращению по σ-связям. Например: При кристаллизации полимера усиливаются межмолекулярные взаимодействия и его гибкость (эластичность) уменьшается. По этой причине легко кристаллизующийся полиэтилен не проявляет свойств каучука.

Синтез полимеров из мономеров основан на реакциях двух типов:. полимеризации и поликонденсации Кроме того, следует отметить, что некоторые полимеры получают не из мономеров, а из других полимеров, используя химические превращения макромолекул (например, при действии азотной кислоты на природный полимер целлюлозу получают новый полимер - нитрат целлюлозы).

18 Полимеризация - реакция образования высокомолекулярных соединений путем последовательного присоединения молекул мономера к растущей цепи. Пoлимеризация является цепным процессом и протекает в несколько стадий: инициирование рост цепи обрыв цепи

19 Характерные признаки полимеризации: 1. В основе полимеризации лежит реакция присоединения 2. Полимеризация является цепным процессом, т.к. включает стадии инициирования, роста и обрыва цепи. 3. Элементный состав (молекулярные формулы) мономера и полимера одинаков.

Схематически реакцию полимеризации часто изображают как простое соединение молекул мономера в макромолекулу. Например, полимеризация этилена записывается следующим образом: n CH2=CH2 (–CH2–CH2–)n или СH2=CH2 + CH2=CH2 + CH2=CH ® -CH2–CH2- + -CH2–CH2- + -CH2–CH (–СН2–СH2–)n

21 Однако самопроизвольно кратные связи в мономере не раскрываются и частицы типа -СH2–CH2- на самом деле не существуют. Чтобы началась цепная реакция полимеризации, необходимо "сделать" незначительную часть молекул мономера активными, то есть превратить их в свободные радикалы (радикальная полимеризация) или в ионы (катионная полимеризация или анионная полимеризация).

Процесс образования высокомолекулярных соединений при совместной полимеризации двух или более различных мономеров называют сополимеризацией. Пример. Схема сополимеризации этилена с пропиленом: Химическое строение сополимеров зависит от свойств мономеров и условий реакции.

Пoликонденсация - процесс образования высокомолекулярных соединений, протекающий по механизму замещения и сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных продуктов. Например, получение капрона из ε-аминокапроновой кислоты: n H2N-(CH2)5-COOH H-[-NH-(CH2)5-CO-]n-OH + (n-1) H2O ; или лавсана из терефталевой кислоты и этиленгликоля: n HOOC-C6H4-COOH + n HO-CH2CH2-OH HO-(-CO-C6H4-CO-O-CH2CH2-O-)n-H + (n-1) H2O

1. В основе поликонденсации лежит реакция замещения. Например, при поликонденсации двухосновной кислоты и двухатомного спирта группа -ОН в кислоте замещается на остаток спирта -О-R-OH: НOOC-R-CO-OH + H-O-R-OH HOOC-R-CO-O- R-OH + H2O Образовавшийся димер является одновременно и кислотой (-COOH) и спиртом (- OH). Поэтому он может вступать в новую реакцию как с мономерами, так и с другими димерами, тримерами или n-мерами.

26 2. Поликонденсация – процесс ступенчатый, т.к. образование макромолекул происходит в результате ряда реакций последовательного взаимодействия мономеров, димеров или n- меров как между собой, так и друг с другом. 3. Элементные составы исходных мономеров и полимера отличаются на группу атомов, выделившихся в виде низкомолекулярного продукта (в данном примере – H 2 O).

Существуют два основных способа названий полимеров. 1. Название полимера строится по названию исходного мономера с добавлением приставки "поли" (полиэтилен, полистирол и т.п.). Этот способ используется обычно для полимеров, полученных путем полимеризации. 2. Полимеру дается тривиальное название (лавсан, нитрон, найлон и т.п.), которое не отражает строения макромолекул, но удобно своей краткостью. Данный способ применяют создатели полимерных материалов (фирмы, научные и производственные коллективы). Так, название ЛАВСАН присвоено полимеру [–O–CH 2 –CH 2 –O–CO–C 6 H 4 –CO–]n полиэтиленгликольтерефталат как сокращенное название ЛАборатории Высокомолекулярных Соединений Академии Наук.

28 Рекомендуемая литература Пример списка литературы Коровин Николай Васильевич. Общая химия: Учебник. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Высш. шк., с.: ил. Павлов Н.Н. Общая и неорганическая химия: Учеб. для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Дрофа, – 448 с.: ил. Ахметов Наиль Сибгатович. Общая и неорганическая химия: Учебник для студ. химико-технологических спец. вузов / Н.С.Ахметов. - 4-е изд., исп. - М.:Высш. шк.: Академия, с.: ил. Глинка Николай Леонидович. Общая химия: Учебное пособие для вузов / Н.Л.Глинка; Ермаков Л.И (ред.) – 29–е изд.; исп. – М.: Интеграл Пресс, 2002 – 727с.: ил. Писаренко А.П., Хавин З.Я. Курс органической химии – М.: Высшая школа,1975,1985. Альбицкая В.М., Серкова В.И. Задачи и упражнения по органической химии. – М.: Высш. шк., Грандберг И.И. Органическая химия – М.: Дрофа, Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия М.: Высш. Шк., 1981 Иванов В.Г., Гева О.Н., Гаверова Ю.Г. Практикум по органической химии – М.: Академия., 2000.